Polymerisation

Monomere

Dies sind einfache Moleküle der gleichen chemischen Verbindung, die einen Polymerisationsprozess eingehen.  Solche Moleküle müssen bestimmte Kriterien erfüllen:

1. Sie müssen Mehrfachbindungen, in der Regel Doppelbindungen, enthalten, die aufgebrochen werden können und somit zwei Elektronen abgeben, die die Bildung neuer Bindungen ermöglichen.
2. Sie müssen in ihrer Struktur zwei reaktionsfähige funktionelle Gruppen enthalten.

Der kleinste wiederholbare Teil der Polymerkette wird hingegen als Konstitutionelle Repetiereinheit oder Wiederholeinheit bezeichnet.  Die allgemeine Gleichung der Polymerisationsreaktion kann in folgender Form geschrieben werden:

_{MONOMER                           POLYMER                          WIEDERHOLEINHEIT}

Arten der Polymerisation

Die Reaktionen, die die Entstehung der Polymere ermöglicht, kann man nach Mechanismen unterteilen.  So unterscheiden wir zwischen:

• Kettenpolymerisation,
• Polyaddition,
• Kondensationspolymerisation.

Kettenpolymerisation 

Es ist meist eine radikalische Reaktion und findet nur bei Monomeren statt, die in ihrer Struktur Mehrfachbindungen enthalten, die beim Aufbrechen Radikale bilden können.  Diese Radikale zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sich zu langen Ketten zu verbinden.  Die Reaktion beruht auf der wiederholten Anbindung von Monomermolekülen an dasselbe aktive Zentrum.  Eine solche Reaktion muss immer durch chemische Verbindungen eingeleitet werden, die in der Lage sind, durch thermischen Zerfall, Lichtquanten oder Redoxreaktionen hochenergetische Radikale mit kurzer Lebensdauer und geringer Resonanzstabilität zu erzeugen.  Ein sehr großer Teil der in industriellem Maßstab hergestellten Polymere (>70 % der Vinylpolymere) wird mit dieser Methode gewonnen, da sie die Vorteile einer hohen Ausbeute, einer einfachen Technologie, einer hohen Beständigkeit gegen Verunreinigungen, der Möglichkeit der Verwendung eines allgemein verfügbaren Lösungsmittels – Wasser – und einer leicht vorhersehbaren Prozesskinetik mit sich bringt.  Die Reaktion der Kettenpolymerisation gliedert sich in mehrere Schritte: Initiation, Propagation – Kettenfortpflanzung, Kettentransfer und Abbruch.  Neben der radikalischen Polymerisation kann der Kettenmechanismus auch anionisch oder kationisch ablaufen. Bei der anionischen Polymerisation wird die induktive Wirkung von Substituenten genutzt, zum Beispiel bei Vinylmonomeren. Eine Gruppe, die in der Lage ist, Elektronen anzuziehen, ist in der Lage, aufgrund der stärkeren Bindung des Elektronenpaares der Doppelbindung eine positive Ladung an den Nachbaratomen zu induzieren. Für die kationische Polymerisation müssen Monomere verwendet werden, die eine Donorgruppierung aufweisen, wie zum Beispiel Vinylether.

Polyaddition

Auch als schrittweise Polymerisation bekannt, basiert sie auf der Umgruppierung von Atomen zwischen Monomermolekülen, so dass keine Nebenprodukte wie bei der Kettenpolymerisation entstehen.  Im Gegensatz dazu ist sie jedoch schrittweise aufgebaut.

Kondensationspolymerisation

Es ist ein Reaktionstyp, der nur bei Monomeren auftritt, die mindestens zwei funktionelle Gruppen in ihrer Struktur haben, die mit der Freisetzung eines Nebenprodukts, meist in Form von Wasser, zu einer Reaktion fähig sind. Es gibt zwei mögliche Arten einer solchen Kondensation. Heteropolykondensation, bei der das Monomer zwei verschiedene funktionelle Gruppen enthält, die miteinander reagieren, oder Homopolykondensation, bei der das Monomer aus zwei gleichen funktionellen Gruppen besteht. Diese können nur mit dem Comonomer, also dem zweiten in der Reaktion vorhandenen Monomer, reagieren, das andere funktionelle Gruppen enthält. 

Einteilung der Polymere nach ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften

1. Elastomere – hochelastische, gummiähnliche Polymere, die die Fähigkeit haben, sich wiederholt zu dehnen und in ihre ursprünglichen Abmessungen zurückzukehren, wie zum Beispiel das vernetzte Polybutadien.
2. Duromere – hervorragende Konstruktionswerkstoffe. Sie zeichnen sich durch ihre Härte, fehlende Elastizität und sehr hohe mechanische Festigkeit aus. Diese schwer schmelzenden Polymere werden als Duroplaste bezeichnet und umfassen zum Beispiel Bakelit und Epoxidharze.
3. Plastomere – auch als Thermoplaste bezeichnet – sind etwas weniger steif als Duromere. Sie können durch Schmelzen verarbeitet werden, aber eine wiederholte Wärmebehandlung wirkt sich negativ auf ihre mechanischen und funktionellen Eigenschaften aus. Zu dieser Gruppe von Polymeren gehören Polyethylen, Polypropylen, Polymethylmethacrylat und andere.

Aufteilung der Polymere nach ihrer Herkunft

1. Natürliche Polymere sind, wie der Name schon sagt, Polyverbindungen, die in der Natur vorkommen. Sie können direkt verwendet oder modifiziert werden.  Zu den am häufigsten verwendeten gehören:
   a) Naturkautschuk – Polyisopren, aus dem bei der Vulkanisation mit Schwefel Gummi (ca. 3% Schwefel) entsteht, der in allen Arten von Dichtungen, Reifen, Spielzeug, elastischen Stoffen und Haushaltswaren verwendet wird, und Ebonit (ca. 25-30% Schwefel), das in Batteriegehäusen, chemischen Apparaturen und Isoliermaterialien verwendet wird.
   b) Polysaccharide – wie Ribose, Glucose und Fructose, aber auch Stärke und Zellulose. Dies sind sehr häufig verwendete Materialien, die aus Monosaccharidmolekülen bestehen, die durch eine glykosidische Bindung verbunden sind.  Zellulose wird bei der Herstellung von Papier, Klebstoffen oder Kunstseide verwendet, Stärke in praktisch allen Industriezweigen, einschließlich der Textil-, Pharma- und Kosmetikindustrie.
   c) Proteine – ihre Monomere sind α-Aminosäuren wie Glycin, Cystein und Phenylalanin. Sie sind die Grundbausteine aller lebenden Organismen mit verschiedenen biologischen Funktionen. Die Aminosäurereste sind durch Peptidbindungen miteinander verbunden. Sie werden hauptsächlich in der Lebensmittelindustrie und in der Medizin verwendet.
2. Künstliche Polymere sind vom Menschen hergestellte Verbindungen, die durch chemische Synthese gewonnen werden. Die Polymerisation kann durch Kettenbildung, Polyaddition und Polykondensation erfolgen.  Das sind zum Beispiel:
   a) Kettenpolymere, wie z.B. Polyethylen, das bei der Herstellung von Folien, Verpackungen und Spielzeug verwendet wird, Polypropylen, das bei Isoliermaterialien, Wasserrohren und Karosserieteilen zum Einsatz kommt, und Polyvinylchlorid, das bei Belägen, elektrischen Isoliermaterialien sowie Türen und Fenstern verwendet wird.
   b) Synthetische Kautschuke, darunter Polybutadien, das in Dichtungen, Latexfarben und Klebstoffen verwendet wird, und Polychloropren, das in Rettungsschlauchbooten, Tauchanzügen und Rehabilitationsbändern zum Einsatz kommt.
   c) Polyadditionspolymere, B. Polyurethane, die in der Möbel-, Automobil- und Schuhindustrie verwendet werden, und Epoxidharze, die in Laminaten, Klebstoffen und verschiedenen Arten von Verbundwerkstoffen in der Luftfahrt, im Automobil- und im Bootsbau eingesetzt werden,
   d) Kondensationspolymere, wie Polyester, die am häufigsten in Form von PET, also Poly(ethylenterephthalat), für Geschirr, Flaschen, Verpackungen und Fasern verwendet werden, Polyamide, hauptsächlich Nylon, das häufig als Bestandteil von Strümpfen, Strumpfhosen, Seilen, Zahnbürsten und Kevlar verwendet wird, Polycarbonate, transparente Thermoplaste mit sehr guten mechanischen Eigenschaften, die häufig für bruchsichere Glasschichten, Helme und CD/DVDs verwendet werden, Phenoplaste, die hauptsächlich in Form von Bakelit verwendet werden, Aminoplaste und Silikone.

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